一、项目背景
1、项目立项背景
线材产品应用广泛，年需求量约1.5亿吨，市场规模近万亿元。其中高端工业制品应用于各国家重点行业领域，是高质量发展的重要基础支撑。作为轴承、弹簧和紧固件等关键零件的原材料，要求其具备精确的尺寸精度及优异的机械性能。
减定径机组是线材生产线的核心，机组前通过水箱进行控温，在减径机处实现热机轧制，定径机实现尺寸精度的精确控制，机组后通过水冷及风冷提高产品性能。因此，减定径机组是高品质工业线材产线的关键技术装备，由于工艺设计难度大、设备结构复杂，该技术长期被国外先进企业垄断。
在钢铁产业高质量发展的新背景下，用户对产品品质、小批量定制、尺寸精度及运行成本提出了更高的要求，而进口减定径技术在生产实践过程中存在的不足愈发明显。如：
孔型系统未实现全单一化，换辊频繁，大大限制了轧机作业率的提高；
尺寸波动，需后续冷拔工艺提高精度，增加工序成本；
低温控轧，轧机故障率高；
头尾超差，成材率低。
因此，亟需开发生产效率高、产品精度高、承载能力大的新型减定径工艺技术及核心装备，满足钢企对生产转型的需求，提高钢铁工业整体技术水平。
2、项目技术难题
提高生产灵活性、解决换辊频繁的难题，所需自由轧制的变形分配制度复杂，孔型开发困难；
孔型共用性提高所需的自由变形，与产品精度的精确控制，二者兼顾难度极大；
低温轧制过程中，轧制负荷大，需增强轧机的抗冲击能力，提高轧机承载力与辊径比困难；
减少头尾超差，需将高速轧制时的咬钢速降及轧件张力控制在稳定状态，电控技术复杂。
3、项目研发思路及技术路线
项目团队制定了“基础理论研究+关键装备和技术开发+生产应用推广”相结合的总体思路，从工艺研究、装备研制和电气控制三个方面，系统的研发超重载、自由减径、精密定径的新型线材减定径工艺技术、装备和控制系统，满足高灵活性、高产品精度、高承载力及高成材率的需求。
二、项目的技术创新点
1、项目创新点1：创新开发了“自由减径+精密定径”的减定径工艺模式及技术。开发出“1+1+2”减定径工艺模式及孔型单一化的高自由度精密轧制技术，显著提升了生产效率和产品精度。
关键技术1：现有减定径技术通过“集中传动+繁锁的机械速比”实现全部规格的轧制，机架间延伸无法自由调整，机组前延伸大。本项目在行业内首次开发出“1+1+2”减定径工艺模式，将减径机由集中传动转变为单独传动，实现了高自由度的变形分配，基于CAE多场耦合轧制仿真技术，揭示了定径机间距与轧件直径关系的精密轧制规律，保证产品尺寸的高精度。本技术调整自由度高，精度控制好；同时，显著降低了机械速比及传动系统的复杂程度，节约了投资。
关键技术2：现有高线的孔型系统，孔型系列多、辊环多；规格更换时，停机时间长。本项目基于模块化轧制理念，通过多点的高自由度调整，重建高速区轧制变形分配机制，开发了全规格共用的单一孔型系统，实现了机架孔型单一化的高效轧制，降低了备辊数量及换辊次数，提升了轧机作业率。
2、项目创新点2：自主研发了“高承载减径 +小间距定径”的减定径机装备，实现了低温控轧和极小定径间距轧制，为高品质精密轧制提供了可靠的装备保障。
关键技术1：低温控轧时，减径机需要承受更高的冲击负荷及更大的轧制力。现有减径机承载能力不足，事故率高。本项目通过减径机原理研究并结合弹流润滑理论，发现了影响轧机承载力的关键因素，独创设计了整体式油膜轴承、高刚度偏心套及自适应轧辊轴系统，开发出超重载减径机装备。新型减径机承载能力显著提升，实现了750℃的轧制温度，有效提升了控轧水平。
关键技术2：现有定径机的机械结构，难以满足精密轧制小间距的要求。本项目通过创新设计轧机齿轮传动系统及辊系结构，研制出间距最小的定径机，稳定运行速度大于115m/s，为高速精密轧制提供了装备保障。
3、项目创新点3：开发了一整套“1+1+2”减定径轧制电气控制技术，有效提高了轧制稳定性，减少了轧件头尾不合格长度。
关键技术1：高自由度的“1+1+2”减定径工艺模式，设备惯量低、冲击负荷大，传统的电气传动和自动化系统响应慢，轧件动态堆拉大，影响了产品精度。本项目首创了高精度的机电预控和虚拟活套模型，研发出负荷观测器和模型参考自适应系统，创新性地把转矩预控与转速预控相结合，开发出高刚度的轧制控制系统。实现了咬钢速降恢复小于0.1%S，稳态调速误差小于设定速度的0.1%，有效提升了减定径机组的电气控制水平，保证了轧制稳定性。
关键技术2：轧件尾部脱离精轧后，失去张力，导致尾部超差，生产调整难度大、效率低。本项目建立了“传动+自动化”双环张力模型，开发出自适应张力重建控制系统，在精轧抛钢40ms内，完成减定径机轧制的张力重建。本技术使产品通条不合格长度显著降低，提高了产品成材率。
三、推广应用和经济社会效益
本技术共形成专利33项，其中发明专利14项，发表论文5篇。经科技成果评价，本项目整体达到国际先进水平，其中“1+1+2”的自由减径+精密定径工艺装备，达到国际领先水平。
2022年，昆钢首次应用了本项目的研发成果。自投产以来，生产线各项性能指标表现优异。生产线可实现115m/s稳定轧制及产品高精度轧制，头尾不合格长度可控制在3圈以内，同时，减定径机组可以为750℃低温轧制提供可靠的装备保障。本项目成果不仅为昆钢带来了显著的经济效益，更为其高品质升级转型提供了有力支撑。
目前，线材10机架精轧机的高速区正面临着升级与转型需求，市场对国产减定径技术高度期待，该技术具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。
本项目技术，实现了线材生产线的高品质、高效率与低成本运行，为用户开启了显著的经济效益增长新篇章。本项目成功攻克了减定径技术及其装备领域的核心瓶颈，不仅突破了从“零”到“一”的飞跃，实现了技术上的创新升级，更在全球线材生产领域树立了新的标杆，凭借在产品质量、高效、低成本方面的优异表现，为高速线材行业的绿色化、高质量发展注入了强劲动力。本技术成果已经走出国门，为“一带一路”及“中国制造”走向海外做出了贡献。此外，本项目所生产的产品为下游用户提供了高品质原材料保障，提升了产品品牌的市场认可度，创造了深远的社会效益与品牌价值。
供稿 | 中冶京诚工程技术有限公司